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From fluid dynamics to quantum gravity

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Besseres Verständnis von Hawking-Strahlung dank Laborversuchen

Die Strahlung Schwarzer Löcher und die Partikelproduktion in einem sich ausdehnenden Universum sind die Grundpfeiler des aktuellen Wissens um die Quanteneigenschaften der Raumzeit. Doch die Tatsache, dass diese Faktoren häufig außer Reichweite der Astrophysik liegen, hat zur Folge, dass sie nur unzureichend verstanden werden. Eine Lösung für dieses Problem könnten künstliche Schwarze Löcher darstellen, die im Rahmen des Projekts FDTOQG (From fluid dynamics to quantum gravity) erzeugt werden und unser Verständnis der Hawking-Strahlung vertieft haben.

Weltraum

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass ein Schwarzes Loch seine eigene Entropie besitzt, genauso wie ein gewöhnliches Objekt mit einer bestimmten Temperatur. Dies impliziert, dass ein Schwarzes Loch thermische Strahlung emittieren und gemäß den Vorgaben der Thermodynamik den Gesetzmäßigkeiten eines Schwarzkörpers folgen sollte. „Dies scheint der klassischen Theorie von Schwarzen Löchern, aus denen nichts entweichen kann, zu widersprechen“, sagt Dr. Antonin Coutant, Marie-Curie-Stipendiat und wissenschaftlicher Leiter des Projekts. „Aber Hawking entdeckte in den 70er Jahren, dass die Quantentheorie keine Emission der Strahlung vorhersagt und dass diese Strahlung den Gesetzmäßigkeiten folgt, die bei einem Wärmekörper erwartet werden.“ Doch ungeachtet der theoretischen Untersuchung wird die Strahlung Schwarzer Löcher noch kaum verstanden, wie Dr. Silke Weinfurtner, Forschungsstipendiatin an der Universität Nottingham, erklärt: „Einerseits arbeiten wir nach wie an einem Konzept, in dem die Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenphysik vereinbar sind, andererseits haben wir aufgrund der niedrigen Temperatur dieser Hawking-Strahlung sehr wenig Orientierung in der Beobachtung, sodass die Ergebnisse aller derzeitigen Beobachtungen Schwarzer Löcher vernachlässigbar sind. Je kleiner das Schwarze Loch, desto höher die Temperatur, doch leider sind die Schwarzen Löcher in unserem Universum zu groß.“ An dieser Stelle kommt die analoge Gravitation ins Spiel. Dieser innovative Ansatz besagt, dass Hawking-Strahlung, Superstrahlung und kosmische Partikelproduktion universelle Prozesse sind, die zwar zu schwach sind, um in astrophysikalischen Systemen gesehen zu werden, aber in einer großen Klasse anderer Systeme wie Flüssigkeiten, Superflüssigkeiten und optischen Systemen vorkommen. „Analoge Gravitation ist heute die beste Chance, die wir haben, um diese Wirkungen in Laborversuchen erleben zu können“, sagt Dr. Coutant. „Die Analogie ist nicht perfekt, doch die Tatsache, dass diese Prozesse in vielen Systemen stattfinden, beweist, dass diese robust gegen systemabhängige Modifikationen sind. Wenn die Raumzeit beispielsweise grundsätzlich diskret wäre, müsste überlegt werden, ob der Hawking-Prozess an diese Eigenschaft anknüpfen würde. In den analogen Systemensind einige Größen diskret (ein Flüssigkeitsstrom besteht beispielsweise aus Wassermolekülen), doch der Hawking-Effekt findet dennoch statt“, sagt Dr. Weinfurtner. Die Robustheit des Superstrahlungsprozesses übertraf tatsächlich die Erwartungen der Wissenschaftler, da ein Objekt sich nur schnell genug drehen und ein wenig Energie aufnehmen können muss. Da Schwarze Löcher unbestritten rotieren und Materie aus ihrer Umgebung aufnehmen, ist Dr. Weinfurtner zuversichtlich, dass durch diesen Mechanismus die Drehung verlangsamt werden kann. Die Extrapolation auf die Astrophysik gestaltet sich jedoch nicht so einfach, wie es sich anhören mag. Analoge theoretische Modelle des Projekts beschreiben, wie kleine Fluktuationen mit Schwarzen Löchern in Wechselwirkung stehen, doch diese beweisen nicht, dass ein reales Schwarzes Loch die gleiche Wirkung zeigt. „Wir können unseren theoretischen Rahmen nur testen, wenn er nicht die Realität beschreiben soll. Unsere Forschung hat sicherlich unser Verständnis der Hawking-Strahlung oder Superstrahlung (auch bekannt als Penrose-Prozess) wie auch der Schwierigkeiten, die bei deren Detektion in einer kontrollierten Laborumgebung beteiligt sind, verbessert“, erklärt Dr. Weinfurtner. Da das Projekt FDTOQG mittlerweile abgeschlossen wurde, ist das Team auf die Reaktion der Wissenschaftsgemeinde gespannt. Sie sind zuversichtlich, dass es in Zukunft weitere Versuche unter Verwendung verschiedener Systeme zur Meldung von detektierter Superstrahlung geben wird.

Schlüsselbegriffe

FDTOQG, Schwarzes Loch, Hawking-Strahlung, Thermodynamik, Allgemeine Relativitätstheorie, Entropie, Quantenphysik, Superstrahlung

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